TRABALHO DE CONDICIONAMENTO DE ENERGIA
SETEMBRO/2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
ENGENHARIA ELÉTRICA
ARMAZENADORES DE ENERGIA
Fabíola Canella Campos – 18919
Lívia de Magistris M. Andrade – 22331
Raphael Alves Brochado – 18965
Pâmela Santiago Leitão – 22073
Valéria Nunes Costa – 20897
Maíra Ribas Monteiro – 22576
Bruna Gonçalves Dos Santos – 21662
Matheus Lasmar Pereira – 24494
Professor: Ph.D. José Maria de C. Filho
Instituto de Sistemas Elétricos e Energia (ISEE)
Resumo - Este artigo apresenta conceitos sobre as várias formas de armazenar energia. É feita uma análise
comparativa para definir qual armazenador se aplica
melhor a determinada situação. Os armazenadores
podem melhorar a qualidade de energia entregue à
carga além de promover o aumento da confiabilidade
do sistema elétrico. É destacada também a importância dos armazenadores em Smart Grids.
Palavras-Chave: Armazenadores, qualidade de energia, confiabilidade do sistema elétrico, Smart Grids.
I – INTRODUÇÃO
O papel básico de armazenamento de energia é o mesmo
em todas as aplicações: absorver a energia gerada e para
se descarregar em um momento posterior, fornecendo
energia. No entanto, a escolha do meio de armazenamento para cada aplicação é fortemente influenciada pela
potência e duração necessárias [1].
A classificação do melhor armazenador de acordo com
cada aplicação, leva em conta, entre outras, as seguintes
características: capacidade de armazenamento, energia
específica, potência específica, tempo de recarga, auto
descarga, eficiência, vida útil, ciclos de carga/descarga,
custo entre outras, detalhadas a seguir [2].
 Capacidade de armazenamento: Representa a quantidade de energia elétrica possível de ser armazenada. Utiliza-se o watt hora (Wh) como unidade padrão.
 Energia específica: A energia elétrica armazenada por
unidade de massa (Wh/kg).
 Potência específica: A potência elétrica armazenada
por unidade de massa (W/kg).
 Eficiência: Representa a porcentagem da energia armazenada que efetivamente será transformada em trabalho.
 Tempo de recarga: É taxa com a qual a energia será
armazenada até o sistema estar completamente carregado.
Alguns sistemas levam 10 horas para se descarregar e 14
horas para se recarregar.
 Auto descarga: Indica o tempo necessário para o sistema de armazenamento se descarregar quando não está
sendo utilizado. Esta perda de carga acontece devido às
correntes de fuga e dissipação de calor.
 Vida útil: Expressa a durabilidade do sistema e varia de
acordo com a tecnologia empregada e a intensidade do
uso.
 Ciclos de carga e descarga: O número de vezes que o
sistema de armazenamento de energia pode ser carregado
e descarregado sem alterações significativas na sua capacidade de armazenamento.
 Custo: Representa o custo por quilowatt hora para projetar, especificar, preparar o local da instalação e instalar
um sistema de armazenamento de energia.
Com intuito de estruturar as informações adquiridas no
levantamento bibliográfico, este artigo se divide em 5
capítulos.
O presente capítulo refere-se à introdução do trabalho,
abordando o papel dos armazenadores de energia e descrevendo como deve ser realizada sua classificação.
O segunto capítulo apresenta os tipos de armazenadores
como baterias, capacitores, supercapacitores, supercondutores, volante de inércia, outros (sistemas hidrícos e bombeamento, ar comprimido, hidrogênio). Os principais
1
conceitos sobre estes tipos serão abordados, com exceção
das baterias que não faz parte do tema desse trabalho.
(1)
Onde:
O terceiro capítulo aborda as principais aplicações dos
armazenadores: controle da taxa de variação de MW/min
em energias renováveis, sistema auxiliar de alimentação,
regulação da frequência, gerenciamento dos picos de demanda, controle de tensão, qualidade de energia e automóveis. Também trata dos níveis de integração dos mesmos na rede elétrica.
C: capacitância (F);
Q: carga elétrica (C);
V: tensão (V).
Sua energia pode ser representada pela equação (2):
( )
No quarto capítulo é feita uma análise comparativa entre
os tipos de armazenadores com intuito de ressaltar as
vantagens e desvantagens dos mesmos.
( )
(2)
Onde:
O oitavo capítulo apresenta as principais conlusões obtidas com esse trabalho.
E: energia amazenada (J);
C: capacitância (F);
v(t): tensão (V).
II – TIPOS DE ARMAZENADORES
II.1.3 – Aplicações
II.1 - Capacitores
Os capacitores descarregam sua carga rapidamente podendo em um curto período de tempo estabelecer alguns
milhares de volts, este funcionamento é aplicado às lâmpadas flash das câmeras [4].
II.1.1 – História
O primeiro capacitor foi construído em 1746 pelo físico
holandês Pieter van Musschenbroek, na Universidade de
Leyden, na Holanda. Este capacitor era constituído por
uma garrafa de vidro, preenchida por água ou outro líquido. Uma rolha era usada como tampa, a qual passava um
condutor que entrava em contato com a água. Esta garrafa
é conhecida até hoje como a Garrafa de Leyden [3].
Bancos de capacitores são usados para prover potência
reativa, corrigindo o fator de potência, reduzindo perdas e
sustentado a tensão do sistema. Outra função importante é
o uso de capacitores shunt no sistema para diminuir a
corrente, regulando, assim a tensão.
II.1.2 – Princípio de Funcionamento
Em sistemas de corrente contínua, os capacitores podem
uniformizar a tensão absorvendo os picos das oscilações
injetando sua carga armazenada para o sistema, eliminando as ondulações [6].
Os capacitores ou condensadores são dispositivos passivos utilizados em circuitos como filtros e acumuladores
de energia. Consistem basicamente de dois eletrodos metálicos paralelos isolados por um material dielétrico (ou
isolante) que não conduz eletricidade e impede que as
placas entrem em contato uma com a outra. Nos dias atuais existem dois tipos de capacitores, o eletrostático e
eletrolítico sendo o primeiro podendo ser fixo ou variável
[4]. A Fig. 1 representa o modelo do capacitor.
II.2 - Supercapacitores
II.2.1 - História
Também conhecidos como ultra-capacitores, capacitores
eletroquímicos, ou de dupla camada, foram descobertos
em 1789, quando o físico alemão Hermann Ludwig
Ferdinand comprovou que a distância entre cargas
positivas e negativas em um eletrodo também acontece
em nível molecular. Em 1957, o primeiro supercapacitor
baseado neste mecanismo de dupla camada foi registrado
pela General Electric. Este capacitor usava um eletrodo de
carbono muito poroso, cuja densidade de carga permitiu o
desenvolvimento de tecnologias que possibilitaram atingir
altos valores de energia específica da ordem de 40 Wh/kg.
Fig.1 – Modelo de Capacitor [4]
II.2.2 - Princípio de Funcionamento
Capacitância é uma medida de quantidade de carga que o
capacitor pode armazenar em suas placas. É a propriedade de um circuito que causa a oposição às mudanças de
tensão [5]. Expressa em forma de equação, a capacitância
é definida por (1):
Assemelham-se a uma bateria, pois possuem eletrodos
espaçados e imersos em substância eletrolítica, como
mostra a Fig. 2. Armazenam energia por meio de carga
estática e são recarregados aplicando uma diferença de
2
potencial em seus terminais. Seus eletrodos são feitos por
poros da ordem de nanômetros [7].
supercapacitores armazenam energia vinda da frenagem e
a liberam nas arrancadas, transferindo potência ao motor.
II.2.4 - Limitações
Como cada supercapacitor possui uma tensão média de
2,5 V, é necessária uma conexão em série quando desejase altas tensões. Além disso, a tensão varia de acordo
com a energia armazenada.
II.3 - Supercondutores
II.3.1 - História
Fig.2 – Construção básica do capacitor de dupla
camada [7]
A supercondutividade é a capacidade que determinados
materiais, como alguns metais e cerâmicos, possuem
quando são esfriados a temperaturas muito baixas (criogênicas) apresentando resistência baixíssima com pequenas perdas. Este fenômeno foi descoberto em 1911 pelo
físico Heike Kamerlingh Onnes, ao observar o comportamento da resistência elétrica do mercúrio que desaparecia ao ser submetido a uma temperatura de 4 K, que equivale a -269,15 ºC, conforme ilustrado na Fig.3. Ocorre à
expulsão de campos magnéticos estáticos do seu interior
(diamagnetismo perfeito), fenômeno conhecido como
efeito de Meissner, quando a temperatura inferior a temperatura crítica.
O desempenho do supercapacitor depende da capacitância
específica do eletrodo em F/g ou F/cm³ e da
condutividade da substância eletrolítica. As equações
utilizadas são as mesmas que em um capacitor comum.
A capacitância específica depende da polarização de
material e se o eletrólito é aquoso (feito de carbono) ou
orgânico. Material aquoso tem alta capacitância
específica, em quanto orgânico tem alta tensão de
operação, como mostra a Tabela 2.
TABELA 2 – CAPACITÂNCIA ESPECÍFICA [2]
Aquoso
Orgânico
Capacitância específica (F/g)
75-175
40-100
Tensão de operação (V)
1,0
2,5
Em sua construção são usados materiais como carbono
ativo, fibras de carbono ou óxido de Rutênio (
), que
permitem altos valores de capacitância, na ordem de farads, e não micro ou nanofarads, como é comum em capacitores.
Fig. 3- Experimento de Onnes [9]
II.2.3 - Aplicações
Mas, o Sistema de Energia Armazenada por Supercondutores (SMES) foi proposto para sistemas de potência em
1970. Tiveram um tratamento especial para aplicações
com utilidades públicas, incluindo as forças armadas,
devido a sua rápida resposta e eficiência elevada na carga
e descarga [9].
Os supercapacitores são divididos pela ordem de sua capacitância. Na eletrônica são encontrados valores de 0,05
a 100 F, enquanto que supercacitores de 100 a 5000 F são
mais usados em veículos e equipamentos de condicionamento de energia elétrica [2].
II.3.2 - Princípio de Funcionamento
Eles encontram seu emprego em um número crescente de
aplicações para o armazenamento de energia de curta
duração, inclusive naquelas que requerem pulsos intermitentes de alta energia [8].
O SMES consiste em armazenar energia no campo magnético de uma indutância. Esse surge através da passagem
da corrente contínua pela bobina de N espiras supercondutoras, a qual pode circular durante um longo tempo em
circuito fechado. Sua energia pode ser representada pela
equação (3):
São largamente utilizados em processos industriais. Algumas aplicações típicas são flashes fotográficos e veículos de transporte público, como trens e metrôs, onde os
( )
3
( )
(3)
Onde:
E: energia amazenada (J);
L: indutância (H);
i(t): corrente (A).
A partir do controle de tensão é possível controlar a carga
e descarga, ao aplicar tensão negativa e positiva, respectivamente, sendo que as correntes devem estar no mesmo
sentido de polarização. O sistema SMES incorpora uma
operação na condição “espera” quando a média é zero,
tendo por resultado uma corrente média constante da bobina [10]. A Fig. 4 exemplifica diagramas esquemáticos
monofásico e trifásico.
Fig. 4 – (a) Monofásico (b) Trifásico [2]
Fig.5 – Diagrama funcional de um regulador de tensão [11]
II.4 – Volantes de Inércia
II.4.1 – História
O princípio aplicado aos volantes de inércia é utilizado
(ainda que de forma inconsciente) desde a invenção da
roda, pois uma vez que se coloca uma roda em movimento, ela desloca-se aproveitando sua inércia.
II.3.3 - Topologias
Os SMES possuem diferentes topologias, sendo constituídos por supercondutores com baixa (LTSC) ou alta
(HTSC) temperatura crítica, podendo fornecer potência
da ordem de 1 até 5000 MW, atuando com tempos na
faixa de alguns segundos até horas. HTSC possui necessidade de resfriamento menor que LTSC. Contudo, para
construir um LTSC necessita-se de uma quantidade superior de material supercondutor para obter a mesma indutância [2].
Desta forma, a aplicação desse princípio pode ser vista
em diversas áreas desde muito tempo. Os moinhos de
vento, por exemplo, trabalhavam sob tal princípio.
Flywheel, era o nome dado as rodas pesadas que faziam
parte de algumas máquinas rotativas, que tinham a função
de manter a regularidade do movimento, que foram amplamente utilizadas durante a Revolução Industrial. Na
década de 70, esta tecnologia foi utilizada no processo de
enriquecimento de urânio, e a partir de então o volante de
inércia passou a ser visto como uma alternativa interessante para armazenamento de energia [2].
II.3.4 - Aplicações
Pode-se utilizar SMES para atenuar variações de curta
duração, como afundamentos de tensão, interrupções
momentâneas garantindo a qualidade de energia, assim
como melhoria de potência. Além de ser aplicada na
transmissão de energia, há outras como, levitação magnética para os trens balas, aceleradores de partículas, controle de sistemas de potência (estabilidade de tensão, estabilidade dinâmica e transitória de sistemas, regulação
de frequência). Porém, ainda possui como maior desafio
o custo para implantação.
II.4.2 - Princípio de Funcionamento
Capazes de armazenar energia na forma cinética, que
pode ser convertida em energia elétrica quando necessário. As baterias mecânicas, também conhecidas como
flywheel ou volantes de inércia, consistem basicamente
em uma massa inercial que gira em grandes velocidades,
ou seja, a massa se distribui em torno de um eixo de rotação. Quanto maior mais difícil será colocá-lo em movimento, e se já estiver em movimento mais difícil pará-lo e
à medida que a massa se distância do eixo de rotação,
maior será o momento de inércia. As equações (4) e (5)
representam o momento de inércia I (kg.m²) e a energia
armazenada E (J).
A Fig.5 representa uma aplicação do SMES, que consiste
em uma bobina supercondutora que contém 3 MJ de
energia armazenada, a fim de manter a estabilidade do
sistema.
( )
4
de vidro ou de carbono. Constituem conjuntos mais leves
e compactos e são capazes de fornecer energia por horas
[2].
( )
Onde:
II.4.4 - Aplicações
m: massa (kg);
R: distância do eixo de rotação (m);
ω: velocidade angula (rad/s).
Recentemente os de volantes de inércia possuem aplicações espaciais. Na estação espacial internacional, por
exemplo, há um sistema de 6,5 kW, de 130 a 170 V, de
corrente contínua. Também tem sido aplicado em modernos sistemas eólicos, contribuindo para estabilizar a variabilidade na geração de energia, característica destes sistemas [12].
O armazenamento de energia através dos volantes de
inércia pode ser melhorado aumentando-se o momento de
inércia do volante, ou a velocidade do mesmo, ou ainda,
ambos. Devido ao arrasto do ar e ao atrito dos rolamentos, há perdas, que podem ser significativas, tonando-se
problemas para o armazenamento de energia em longo
prazo [2].
Nas centrais produtoras de energia elétrica, utiliza-se desta tecnologia para armazenar a energia excedente que está
sendo gerada (fora do horário de pico), o que contribui
para o aumento da eficiência da central geradora e reduz
a emissão de poluentes, no caso das termoelétricas. Estes
sistemas são capazes de fornecer à rede a energia armazenada em momentos de altas demandas (horários de
picos). Flywheels podem contribuir, quando dispostos
estrategicamente, a fim de não sobrecarregar as linhas de
transmissão, inclusive, reduzindo o efeito Joule nas mesmas [10].
A fim de melhorar o desempenho dos mesmos em alguns
projetos utilizam-se cilindros ocos de forma que a massa
se concentra na extremidade do volante, desta forma além
de se conseguir maior eficiência no armazenamento de
energia, diminui-se o peso do volante, o que se faz necessário em algumas aplicações.
Uma alternativa para o aumento da eficiência das baterias
eletromecânicas é operá-las em alta velocidade, quando
possível. Para eliminar a resistência do ar, os volantes de
alta rotação são operados em encapsulamento a vácuo,
mancais magnéticos também são usados para diminuir as
perdas por atrito, inclusive rolamentos magnéticos do tipo
supercondutores já estão sendo empregados para essa
finalidade [10].
Além disso, os volantes de inércia são utilizados para
promover a qualidade de energia, por controlarem a frequência, minimizando os impactos causados pelos desbalanços que podem ocorrer em virtude das variações bruscas entre oferta e demanda, contribuindo para o aumento
da estabilidade do sistema [2].
II.5 - Outros
Como principais vantagens deste sistema destacam-se seu
menor custo de aplicação e operação, o fato de apresentarem alta vida útil e a mesma não ser afetada por condições adversas de temperaturas e a elevada capacidade de
liberarem potências instantâneas e suportarem bem inúmeros ciclos de carga e descarga. Além disso, não apresentam problemas ambientais quando comparados às baterias. Um dos maiores problemas desse sistema é o fato
dele armazenar energia em uma forma diferente da que
será utilizada, devendo ser considerados os rendimentos
dos conversores, e o fato de requerer altos investimentos
iniciais.
Atualmente no cenário mundial, grande parte do excesso
energia é armazenado em sistemas hídricos de bombeamento, mas novas tecnologias de médio e longo prazo
estão em desenvolvimento e aperfeiçoamento.
II.5.1- Sistemas hídricos de bombeamento
A grande maioria dos armazenamentos em grande escala
é feita com sistemas hídricos de bombeamento. Estes
sistemas aproveitam o excesso de energia no período de
carga leve para bombear a água para um potencial geográfico elevado criando assim uma grande bateria. Em
momentos de maior demanda a água pode ser turbinada
fornecendo energia para o sistema.
II.4.3 – Topologias
Duas topologias que vem sendo aplicadas para solução de
problemas de qualidade da energia elétrica: Low Speed
Flywheels (LSF) são caracterizados basicamente pela
baixa rotação de trabalho, da ordem de até 6000 rpm. E
que necessitam de um maior momento de inércia, por isso
possuem maior quantidade de massa. Geralmente são
feitos de aço, e maiores raios, constituindo sistemas robustos, e pesados capazes de fornecer energia por um
intervalo de tempo de 10 a 50 s. E os High Speed
Flywheels (HSF) que são volantes de alta velocidade, (na
ordem de 10000 rpm. São fabricados geralmente em fibra
São sistemas que requerem alto investimento e são limitados por necessitarem de um grande reservatório, que é
mostrado na Fig. 6.
5
Fig. 6 – Sistema Hídrico de Bombeamento [13]
II.5.2- Armazenamento em Ar Comprimido CAES
Fig. 8 – Armazenamento em hidrogênio [14]
Quando a oferta de energia elétrica é maior do que a demanda, o ar é comprimido e armazenado no subsolo. Caso a demanda excede a oferta uma turbina a gás é acionada [14]. Todas as turbinas a gás trabalham com o Ciclo
Brayton que é necessário ar comprimido e uma fonte de
calor, podendo ser de origem solar como uma antena de
concentração ou a partir da queima de biocombustíveis.
Muitos projetos de CAES utilizam domos de sal, minas
desativadas e cavernas.
O argumento mais forte para o armazenamento de energia
em hidrogênio é a sua extrema versatilidade. Ele pode ser
armazenado e utilizado diretamente em carros, na produção de energia através de motores ou células combustível,
como um produto químico primário de muitos produtos,
etc. Além disso, representa uma importante opção livre
de CO2 e oferece uma capacidade de armazenamento
sazonal de longo prazo e flexibilidade para descarregar a
energia armazenada, onde e quando ela é mais necessária.
A eficiência destes sistemas pode ser aumentada na medida em que seja possível criar uma câmera de armazenamento adiabática capaz de armazenar o ar e o calor
produzido no processo de compressão (em torno de
650°C). Na Fig. 7 é mostrado um esquemático do sistema.
III – PRINCIPAIS APLICAÇÕES
III.1- Controle da taxa de variação MW/min – Renováveis
O aumento constante do consumo de energia e a crescente dificuldade na utilização dos combustíveis fósseis, devido às suas disponibilidades serem finitas, provocam
reflexões para que o desenvolvimento tecnológico possa
continuar sua evolução. Contudo, considera-se a utilização de energias renováveis, as quais necessitam de sistemas armazenadores de energia para aumentar a confiabilidade do sistema devido aos fatores climáticos.
Posto que os recursos naturais tais como o sol e o vento
não são contínuos, é preciso que um sistema de armazenamento de energia seja acoplado à central geradora, armazenando a energia gerada no período mais produtivo,
visando o suprimento da rede quando os ventos não forem favoráveis.
Fig. 7 – Sistema CAES [13]
O sistema de armazenamento de energia suaviza a saída e
controla a taxa de variação MW/min para eliminar oscilações rápidas de tensão e de potência na rede elétrica [1].
II.5.3.- Armazenamento em hidrogênio
Outra forma de armazenar energia é utilizando o hidrogênio. O excedente de energia renovável de fontes intermitentes como o sol e o vento pode ser convertido em hidrogênio, por meio da eletrólise [14]. O eletrolisador separa água pura em hidrogênio e oxigênio, utilizando a
corrente elétrica vinda da geração a partir das fontes renováveis. A Figura 8 mostra a aplicação do hidrogênio
em diferentes segmentos após ser separado do oxigênio.
III.2 - Sistema auxiliar de alimentação para cargas críticas
Os armazenadores de energia também são utilizados como um sistema auxiliar de alimentação, quando há ausência da alimentação principal. Em aplicações críticas tais
como hospitais e aeroportos, nas quais a interrupção de
6
energia resulta em danos e prejuízos para seus usuários,
eles são imprescindíveis. Dependendo da aplicação, o
sistema pode fornecer energia em milésimos de segundos
ou minutos, mantendo a continuidade no fornecimento de
energia.
III.5- Controle de tensão
III.3 - Regulação da frequência
III.6 - Qualidade de energia
O sistema de armazenamento de energia é carregado ou
descarregado de acordo com o aumento ou diminuição,
respectivamente, da frequência de rede, como mostra a
Fig. 9. Para um baixo carregamento do sistema, a frequência tende a aumentar e nesse momento o armazenador absorve potência, se carregando. Por outro lado, para
um alto carregamento do sistema, a frequência tende a
diminuir e o armazenador injeta potência no sistema, se
descarregando.
A maioria dos distúrbios do sistema são temporários, não
excedendo a 3 segundos. Desta, forma, um sistema de
armazenamento de energia pode ajudar a proteger cargas
contra eventos de curta duração que afetam a qualidade
da energia entregue. Quando há um distúrbio na rede, os
armazenadores passam a fornecer energia elétrica.
Um sistema de armazenamento de energia pode ajudar a
manter a tensão de rede através da injeção ou consumo de
potência ativa e reativa.
Por exemplo, durante um afundamento momentâneo de
tensão (AMT), os armazenadores são capazes de suprirem de forma parcial ou completa a energia não fornecida
pela fonte principal de alimentação.
III.7 – Automóveis
Em carros elétricos, metrôs e trens eles são utilizados na
aceleração e frenagem regenerativa.
III.8 – Níveis de integração na rede
Os sistemas de armazenamento de energia (ESS) podem
ser integrados em diferentes níveis do sistema de energia
elétrica, como mostra a Fig. 10:
 Geração: controle da taxa de variação MW/s (eólicas,
solares), regulação de frequência;
 Transmissão e Distribuição: Controle dos níveis de
tensão, qualidade de energia;
 Clientes: gerenciamento da demanda, sistema auxiliar
de alimentação.
Fig.9 –Regulação de Frequência [1]
III.4 Gerenciamento dos picos de demanda
Outra aplicação é no gerenciamento de demanda por parte de algumas empresas nos horários de pico, de forma a
evitar o pagamento de multas por ultrapassagem dos limites contratados [2]. Com isso há economia nas contas de
energia.
7
Fig.10 – Aplicações típicas de armazenamento
de energia [1]
IV – ANÁLISE COMPARATIVA
A Fig. 11 no final da página apresenta o tempo de
descarga da energia amazenada das diferentes tecnologias
e a potência para cada uma delas.
A comparação entre as diferentes formas de armazenamento de energia é necessária para classificar qual possui
melhor desempenho para uma determinada aplicação.
Esta comparação é feita a partir de alguns parâmetros,
que podem ser observados na Tabela 3.
Observa-se que as tecnologias de baixa autonomia por
outro lado podem fornecer maior potência [2].
IV.1 - Vantagens e desvantagens
TABELA 3 - ANÁLISE COMPARATIVA [2]
Volantes de inérica
Volante
de inércia
Bateria
Chumboacida
Supercapacitor
Supercondutor
Auto descarga
(por dia)
20 – 100%
0,1 – 0,3%
2 - 40%
10 – 15%
Energia
específica
[Wh/Kg]
5 - 100
0,1 - 5
4 - 75
Potência
específica
[W/kg]
<1.600
<400
50 – 10.000
1.000 –
100.000
Eficiência
80 - 90%
81 – 94%
85 – 100%
90 – 99%
Tempo de
recarga
Segundos
a minutos
10x o tempo
de descarga
0,3 – 30
segundos
Segundos a
horas
Vida útil
(anos)
>20
3 - 15
>10
20
Ciclos
completos
>105
100- 1.500
105 − 5𝑥105
100.000
Confiabilidade
Alta
Moderada
Alta
Alta
Manutenção
Moderada
Moderada/Alta
moderada
Alta
Faixa de
temperatura
de operação
Extensa
Estreita
Extensa
Restrita
Impacto
Ambiental
Baixíssimo
Nociva
Nocivo
Baixo
Custo
[€/KWh]
700 – 1000
50 – 150
50000 – 150000
800 – 1800
35 – 40
Vantagens: esta tecnologia apresenta uma alta energia
específica (100 Wh/Kg para rotor de material composto)
[2], o que é vantajoso para sistemas que possuem esta
necessidade. Também é indicado para aplicações onde o
número de ciclos é determinante. Dentre os
armazenadores citados é o que possui maior vida útil, que
agregada a manutenção simples pode torná-lo uma boa
escolha. Além disso, possui alta confiabilidade,
baixíssimo impacto ambiental e opera em extensa faixa
de temperatura.
Desvantagens: a taxa de auto descarga é alta, o que torna
o volante de inércia inapropriado para armazenamentos a
longo prazo [13]. Apresenta custo relativamente alto,
entretanto avanço nas tecnologias tem melhorado sua
viabilidade econômica.
Baterias
Vantagens: as baterias possuem menor auto descarga
causadas por correntes de fuga, o que as tornam apropriada para armazenamento a longo prazo [13]. São indicadas, por exemplo, para falhas de longa duração [15].
Além disso, possuem o menor custo entre os armazenadores citados.
Desvantagens: a potência específica é baixa, assim como
a vida útil, sendo a última afetada pelo ciclo de carregamento e descarregamento. Logo, as baterias não são
apropriadas para aplicações com alto número de ciclos.
Devido a liberação de gases durante a recarga, se faz necessário ventilação adequada, além de haver risco de explosão [2]. Sua baixa impedância é causa de alta corrente
de curto circuito. Além disso, são nocivas ao meio ambiente, operam em uma estreita faixa de temperatura e possui alto tempo de recarga.
Supercondutor
Vantagens: os supercondutores possuem a maior potência
específica entre os armazenadores citados e uma alta
energia específica [15]. Possuem alta eficiência, alta confiabilidade, vida útil relativamente alta e causam baixo
impacto ambiental.
Desvantagens: esta tecnologia opera em faixa restrita de
temperatura (temperaturas criogênicas), por isso, há a
necessidade de um sistema de refrigeração [2]. Necessita
ainda de considerável espaço de instalação e alta manu-
Fig. 11 - Autonomia e faixa de potência [2]
8
VI – REFERÊNCIAS
tenção. Seu custo ainda é elevado e vale ressaltar que a
longa exposição ao campo magnético pode ser nociva à
saúde.
[1] ABB. Energy Storage Keeping smart grids in balance, 2012.
[2] OLIVEIRA, R.R. Uma contribuição á análise de soluções para mitigação de afundamentos momentâneos de
tensão. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) –
Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI), Itajubá, 2013.
[3] Uol Educação. Física, Capacitores Armazenam Energia. Disponível em: <http://educacao.uol.com.br/ disciplinas/fisica/capacitores-capacitores-armazenam-ene rgiaeletrica.htm>
[4] BOYLESTAD, R. L. Introdução à análise de circuito, 10.ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004. 271,
821 p.
Acesso em: 25 ago. 2014.
[5] CUTLER, P. Análise de Circuitos CA, 1.ed. Rio de
Janeiro: Editora McGraw-Hill do Brasil Ltda., 1979. 351
p.
[6] DUGAN, R. C.; MCGRANAGHAN, F. M.; SANTOSO, S.; Beaty, H. W. Electrical Power System Quality, 2.ed. New York: McGraw-Hill Professional, 2012.
580 p.
[7] Al Fin. Supercapacitors vs. batteries: an electrifying
race. Disponível em: <http://alfin2100.blogspot.com.br
/2006/01/supercapacitors-vs-batteries.html>. Acesso em:
01 set. 2014.
[8] Saber Eletrônica. Substituição de baterias por (supercapacitores + carregador) em aplicações eletrônicas.
Disponível
em:
<http://www.sabereletronica
.com.br/artigos/2371-substituio-de-baterias-por-supercap
acitores-carregador-em-aplicaes-eletrnicas>. Acesso em:
01 set. 2014.
[9] RAGEL, Everton. A supercondutividade. Disponível
em: <http://profevertonrangel.blogspot.com.br/2012/03/
supercondutividade.html>. Acesso em: 25 ago. 2014.
[10] FILHO, S.A. Análise de controladores eletrônicos
em sistemas de distribuição. Dissertação de Mestrado.
Universidade Estadual Paulista (UNESP). 2005.
[11] ClimateTechWiki – A Clean Technology Platform.
Energy Storage: Superconducting magnetic energy storage (SMES). Disponível em: <http://www.climatetech
wiki.org/technology/jiqweb-ee>. Acesso em: 07 set.
2014.
[12] SILVA, F.L. Análise do desempenho de uma microrrede com múltiplas unidades de geração distribuída.
Dissertação de Pós-Graduação. Universidade Federal do
Espírito Santo (UFES). Vitória. 2011.
[13] EUROPEAN COMMISSION. The future role and
challenges of Energy Storage. DGENER Working Paper,
2013.
[14] EASE; EERA. Joint EASE/EERA recommendations
for a European Energy Storage Technology Development
Roadmap towards 2030. 2013.
[15] RIBEIRO, M.R. Sistema armazenador de energia
cinética – SAEC estratégia de controle e simulações.
Supercapacitor
Vantagens: os supercapacitores possuem uma alta potência específica, sendo apropriado para sistemas que precisem de alta potencia em curto espaço de tempo. Possuem
uma boa eficiência, vida útil relativamente alta e podem
ser descarregados e carregados inúmeras vezes sem afetar
sua vida útil, o que o tornam apropriados para aplicações
com grande número de ciclos.Têm alta confiabilidade,
podem operar em extensa faixa de temperatura. A recarga
é simples, pois não há necessidade de circuito que detecte
carga máxima. Além disso, possuem baixo peso comparado ao capacitor convecional, implicando maior portabilidade [16].
Desvantagens: entre as tecnologias citadas, o supercapacitor possui baixa energia específica e pode ter uma perda
por auto descarga relativamente alta. Há variação de tensão de acordo com a energia armazenada e para alta tensão se faz necessário ligar varias unidades em série [16].
Para o meio ambiente, é nocivo em caso de incineração.
Seu custo, apesar de ter caído nas últimas décadas, ainda
é elevado [2].
Capacitor
Vantagens: os capacitores possuem caracteristicas físicas
semelhantes ao do supercapacitor. Possuem uma alta potência específica, que é de 100.000 a
W/Kg, maior
que a do supercapacitor, o que também os tornam vantajosos para aplicações que exigem alta potencia em curto
espaço de tempo. Além disso, tem uma eficiência maior
que 95% e recarrega rapidamente [17].
Desvantagens: os capacitores possuem a menor energia
específica entre os armazenadores citados, que é de 0,1
Wh/Kg [17].
V – CONCLUSÕES
Desenvolver novas técnicas de armazenamento de energia é um grande desafio, pois é necessário desenvolver
métodos cada vez mais eficientes, rentáveis e sem prejuízos ao meio ambiente. É essencial a procura por novas
alternativas com maior flexibilidade e adaptação a vários
sistemas.
As fontes renováveis de energia poderiam ser as principais fontes de energia do mundo se fosse possível armazenar grandes quantidades de energia em elevada escala e
com baixo custo.
Níveis mais altos de armazenamento de energia são necessários para a flexibilidade, estabilidade e confiabilidade da rede.
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Dissertação de Mestrado. Universidade Federal do Rio de
Janeiro (UFRJ). Rio de Janeiro. 2008
[16] RODRIGUES, J. B. Utilização de capacitores de
grande porte para substituição de baterias convencionais
em sistemas de iluinação. Monografia de especialização.
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de
Santa Catarina (IFSC). Florianípolis. 2012.
[17] CAMPOS, D.; PETRY, C. A. Proposta de utilização
de células indoor para alimentação de cargas eletrônicas
remotas. Trabalho de conclusão de curso. Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Santa Catarina
(IFSC). Florianópolis.
em São José da Barra em 2010. Ingressou na UNIFEI em
2011. Desenvolveu iniciação científica na área de Sistemas Elétricos de Potência em 2012/2014.
BIOGRAFIA:
Bruna Gonçalves dos Santos
Nasceu em Itajubá (MG) em 1992. Recebeu o título de
Técnico em Meio Ambiente e Agroenergia pela Escola
Técnica LIMASSIS em Delfim Moreira em 2009. Ingressou na UNIFEI em 2011. Desenvolveu iniciação científica na área de Eficiência Energética de 03/2011 a 08/2014
com bolsa financiada pela Eletrobrás.
Fabíola Canella Campos
Nasceu em São Paulo (SP), em 1991. Estudou eletroeletrônica no Colégio Técnico Industrial de Guaratinguetá,
de 2006 a 2008. Ingressou na UNIFEI em 2010.
Lívia de Magistris Martins Andrade
Nasceu em Guarulhos (SP), em 1991. Ingressou na UNIFEI em 2011. Capitã do subsistema da eletrônica do projeto especial Baja (2013-2014). Atualmente desenvolve
pesquisa na área de máquinas elétricas.
Maíra Ribas Monteiro
Nasceu em Barra Mansa (RJ), em 1993. Recebeu título de
Técnico em Eletrônica na Escola Técnica Pandiá Calógeras, de Volta Redonda em 2010. Ingressou na UNIFEI em
2011. Foi bolsista de iniciação científica pela FAPEMIG
em 2013/2014 e atualmente possui vigência de
2014/2015.
Matheus Lasmar Pereira
Nasceu em Arcos (MG), em 1992. Ingressou na UNIFEI
em 2012. Desenvolveu pesquisa d no PRH-16 com bolsa
da Agência Nacional de Petróleo em 2012 e 2013. É bolsista de iniciação científica pela FAPEMIG no Grupo de
Qualidade de Energia Elétrica.
Pâmela Santiago Leitão
Nasceu em Porto Velho (RO), em 1991. Ingressou na
UNIFEI em 2011.
Raphael Alves Brochado
Nasceu em Poços de Caldas (MG), em 1990. Ingressou
na UNIFEI em 2010.
Valéria Nunes Costa
Nasceu em Capitólio (MG), em 1993. Recebeu o título de
Técnico em Eletrotécnica na Escola Técnica de Furnas
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